导读：克服强度和塑性的折衷有利于拓展镁基复合材料的应用前景。提出了一种在镁基复合材料中使用含有颗粒增强体的中间合金来实现强度和塑性协同的新方法，该方法通过调节动态再结晶
(DRX)
来诱导晶粒尺寸双峰结构。具体而言，通过粉末冶金制备了一种新型
AlN-Al
中间合金以制备
AlN/ZK60
复合材料，并深入研究了添加
AlN-Al
中间合金对复合材料中与强度和延性协同作用相关的微观结构演变的影响，包括沉淀、晶粒尺寸和
DRX
行为。中间合金中的
Al
和
ZK60 Mg
合金中的
Zr
之间的反应抑制了晶粒细化，并且在对铸态复合材料进行固溶处理后进一步形成了粗大晶粒。随后，热挤压过程中
AlN
和
Mg
基体之间的变形不均匀性诱导了不连续动态再结晶
(DDRX ),
并促进了细晶分数。这种结合形成了
AlN/ZK60
复合材料的双峰结构，在室温变形过程中，粗大晶粒和细小晶粒分别作为硬区和软区。基体织构强化强化了硬区，而软区基体
滑移的促进提高了塑性，共同导致
AlN/ZK60
复合材料的强度和塑性协同作用，与
ZK60
镁合金相比，在保持相同延伸率的同时，极限抗拉强度提高了
7.4 %
。
镁合金具有密度低、电磁屏蔽性能好等优异性能，被认为是最有前途的结构材料之一。然而，较差的强度和延展性限制了其广泛的工程应用。为了实现镁合金的强度和延展性的协同提高，已经通过合金化和先进加工进行了许多努力。向
Mg-Zn
系合金中添加
Zr
是一种典型的提高强度的合金化方法，因为它可以引起显著的晶粒细化。尽管如此，在目前的性能下，用镁合金取代传统的结构材料还远远不够。
近年来，颗粒增强金属基复合材料
(PRMMCs)
被认为有利于提高强度、模量和耐磨性。同时，通过添加
AlN
陶瓷颗粒来增强
PRMMCs
的性能已经得到认可。对于颗粒增强镁基复合材料
(PRMgMCs)
，
AlN/AZ91
复合材料通过原位液体渗氮方法成功制备，并令人满意地表现出良好的综合性能，其中
AlN
颗粒呈现亚微米和纳米尺寸分布。值得注意的是，强度和延展性之间的平衡由于微米级
PRMMCs
中的颗粒开裂和孔隙形成而受到损害。据报道，通过添加
<3 vol.%
的纳米颗粒，纳米尺寸的
PRMgMCs
相对于传统的微米尺寸的
PRMgMCs
可以获得相当的甚至更好的机械性能，这更好地平衡了强度和延展性之间的矛盾，但是由于更强的范德华力，纳米颗粒簇比微粒更容易形成。因此，寻找制备颗粒均匀分布的纳米尺寸
AlN PRMgMCs
的方法，对于实现
Mg-Zn-Zr
系合金的强塑性协同效应是有希望的，也是一个相当大的挑战。颗粒团也是晶粒细化剂颗粒的难题，导致镁合金的晶粒细化效率低。幸运的是，设计和制备携带颗粒的母合金很好地解决了这个问题。由此可见，
利用中间合金负载
AlN
纳米颗粒有望成为促进其均匀分散的可行途径
。同时，粉末冶金有助于确保颗粒在加入熔体之前呈现均匀分布。由于
Mg
在球磨过程中容易爆炸和燃烧，因此需要谨慎确定母合金的基质金属，并且
Zn
的高添加量可能导致镁合金中的热裂。由于铝被认为是改善镁合金铸造性能的最有利的溶质，以及
alN
和
Al
之间没有化学反应，
AlN-Al
中间合金是合适的方案。一般来说，由于
Al-Zr
金属间相的形成，
Al
被认为对
Zr
的晶粒细化效果具有中毒效应。最近有报道称，纳米铝锆沉淀可能与锆在生成晶核以细化晶粒方面起到类似的作用，这意味着铝锆反应对晶粒细化的影响应得到更广泛的研究和评估。
利用热变形处理来改善
PRMgMCs
中的颗粒分布已被证明是可行的。镁基复合材料中陶瓷微米级颗粒诱发的
PSN
机制已得到广泛证实。尽管如此，添加陶瓷纳米粒子可能会导致
DRX
机制变得不清楚。虽然纳米粒子的尺寸不满足激活
PSN
机制的理论要求，但粒子团簇尺寸可能超过
1
μ
m
，处于理想尺寸，可以激活
PSN
机制，促进
DRX
度。此外，异质结构
(HS)
可由热变形过程中的颗粒增强物诱发，这有助于强度和延展性的协同作用。因此，
诱导晶粒长大的潜在
Al-Zr
反应和添加
AlN
颗粒通过
DRX
改善晶粒细化的相互作用可能促进双峰结构的形成
，这有望有助于
PRMgMCs
中强度和塑性的协同作用。更重要的是，在镁基体中添加颗粒增强体可以影响热变形过程中的动态再结晶
(DRX)
行为，并有效地实现晶粒细化。具体而言，颗粒可以钉扎晶界，这使得具有高位错密度和大取向梯度的颗粒附近的区域被称为颗粒变形区
(PDZs)
，
PDZs
处的变形不均匀性可能是动态再结晶
(DRX)
成核的位置，称为颗粒受激成核
(PSN)
。
如上所述，通过将粉末冶金制备的
AlN-Al
母合金添加到
ZK60 Mg
合金中，使用铸造方法制造
1.0 vol.% AlN
纳米颗粒增强的
ZK60 Mg
基体复合材料。随后，进行固溶处理和热挤压以调节微观结构和力学性能。讨论了与添加
AlN-Al
中间合金相关的析出相、晶粒尺寸和
DRX
行为的演变以及
AlN/ZK60
复合材料强度和塑性协同的变形机制。这项工作有望帮助开发和制造具有强度和延性协同作用的
PRMgMCs
。
北京科技大学相关研究成果以“
Achieving the strength and ductility synergy in the AlN/ZK60 Mg matrix composite with the bimodal structure
”发表在
Journal of Magnesium and Alloys
上。
链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956725000490
表
1
商用
ZK60
镁合金的化学成分
(wt.%)
图一
实验程序的示意图
:
(a)
是铸造过程，
(b)
是热挤压过程，以及
(c)
是用于机械测试和微观结构表征的样品设计。
表
2
命名规则示例。
制造过程中的微结构演变如图
2
所示。图
2a
是
AlN-Al
混合颗粒的
SEM
图。较大的颗粒是铝颗粒，而较小的颗粒是氮化铝颗粒。图
2b
显示了
AlN-Al
母合金的
OM
图。在复合熔炼过程中，
AlN-Al
中间合金的
Al
基体加入到
ZK60
镁合金熔体中后逐渐熔化，在机械搅拌下促进
AlN
颗粒缓慢扩散到熔体中并均匀分散。因此，复合材料基体的组成发生了变化，沉淀行为可能受到影响。图
2c
和
d
分别显示了
ZK60 AC
和
AlN/ZK60 AC
的
OM
图，并且其平均晶粒尺寸
(AGS)
由
Image Pro
工具计数。如图
2c
所示，第二相主要在
ZK60 AC
的晶界处，
AGS
为
44.99
μ
m
。如图
2d
所示，在
AlN/ZK60 AC
的晶界处可以发现比
ZK60 AC
更大尺寸和数量的第二相，这可以推断为
AlN
颗粒富集区，并且可能是由于复合凝固过程中凝固前沿的“推动”效应而形成的
。此外，
AlN/ZK60
活性炭的
AGS
为
65.94
μ
m
，高于
ZK60
活性炭。图
2e
和
f
分别显示了
ZK60 ST
和
AlN/ZK60 ST
的
OM
图。对于
ZK60 ST
，通过比较图
2e
和
c
，可以发现固溶处理后第二相和
AGS
的演变不明显。相比之下，通过比较图
2d
和
f
，
AGS
从
AlN/ZK60 AC
中的
65.94
微米迅速增加到
AlN/ZK60 ST
中的
143.38
μ
m
，并且在
AlN/ZK60 ST
中可以发现裂纹，如图
2f
所示。图
2g
和
h
分别显示了
ZK60 ED
和
AlN/ZK60 ED
的
OM
图。沿着挤压方向
(ed)
的细长晶粒伴随着精细的微观结构都可以在图
2g
和
h
中发现。
ZK60 ED
和
AlN/ZK60 ED
的
AGS
和详细的微观结构将通过其他表征方法进一步揭示。从上面可以确认，
在制造过程中显著的微观结构演变与
AlN-Al
中间合金的加入有关
。
图二
制造过程中的微观结构演变
:
(a) AlN-Al
混合颗粒，
(b) AlN-Al
中间合金，
(c) ZK60 AC
，
(d) AlN/ZK60 AC
，
(e) ZK60 ST
，
(f) AlN/ZK60 ST
，
(g) ZK60 ED
，和
(h) AlN/ZK60 ED
。粉红色的线是温度变化的示意图。
图
3
ZK60
镁合金和
AlN/ZK60
复合材料的相表征结果
:
(a)
和
(b)
分别是
ZK60
镁合金和
AlN/ZK60
复合材料基体在凝固过程中的计算结果，
(c)
和
(d)
分别是
ZK60 AC
和
AlN/ZK60 AC
的
DSC
曲线，
(e)
和
(f)
分别是
ZK60
镁合金和
AlN/ZK60
复合材料的
XRD
图。
图
4
显示了
ZK60 AC
的微观结构。从图
4a
中可以得出结论，显微组织由
Mg
基体和沿晶界不连续分布的次生相组成。图
4b
示出了图
4a
中区域
A
的放大图。点
2
处的球状二次相显示出
Mg
和
Zn
的原子比约为
1
∶
1
，这符合
MgZn
相的组成。点
1
和
3
处的
Mg
和
Zn
的原子比分别约为
2:1
和
7:3
，类似于
相的已报道成分，且为条形。图
4c
和
d
分别显示了图
4a
中区域
A
和
B
的
EDS
绘图结果。可以发现，
在
Zr
存在的位置几乎没有
Mg
和
Zn
的聚集，表明
Zr
以单质颗粒的形式沉淀在
ZK60 AC
中
。为了进一步确定
ZK60 AC
中的次生相，图
4e
和
f
显示了具有快速傅立叶变换
(FFT)
图案的高分辨率透射电子显微镜
(HRTEM)
图。可以确认
和
MgZn
相的沉淀。
图
4
ZK60 AC
的微观结构
:
(a)
是
SEM
图，
(b)
是具有
EDS
指向结果的区域
A
的放大图，
(c)
和
(d)
分别是区域
A
和
B
的
EDS
绘图结果，
(e)
和
(f)
是分别具有
和
MgZn
相的快速傅立叶变换
(FFT)
图案的高分辨率透射电子显微镜
(HRTEM)
图。
图
5
AlN/ZK60 AC
的微观结构
:
(a)
是
SEM
图，
(b)
是
(a)
的
EDS
绘图结果，
(c)
和
(d)
是具有
FFT
图案的
HRTEM
图，
(e)
和
(f)
分别是
(a)
中区域
I
和
II
的放大图。
图
6
ZK60 ST
和
AlN/ZK60 ST
的微观结构
:
(a)
是
ZK60 ST
的
SEM
图，
(b)
是
(a)
的
EDS
绘图结果，
(c)
是
AlN/ZK60 ST
的
SEM
图，
(d)
是
(c)
中区域
A
的放大图，
(e)
是
(d)
的
EDS
绘图结果，
(f)
和
(g)
分别是
(d)
中区域
B
和
C
的放大图。
